[發(fā)明專利]差動共焦定面干涉靶丸內、外表面缺陷檢測方法與裝置

有效

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• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112630232B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發(fā)明（設計）人: 趙維謙;楊帥;王允;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/892
• 分類號: G01N21/892
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發(fā)明涉及差動共焦定面干涉靶丸內、外表面缺陷檢測方法及裝置，屬于光學成像與檢測技術領域。該方法首次利用差動共焦光強響應曲線高分辨、高靈敏的過零點為判斷依據(jù)來精準定位靶丸(被測面)和相機(探測面)的軸向位置，以此分別實現(xiàn)靶丸內、外表面的直接、準確對焦成像；采用短相干光源區(qū)分內、外表面干涉圖，利用移相干涉技術分別測得內、外表面缺陷分布；在成像光路中增加準直?成像透鏡并采用移動干涉相機的原位對焦方式，根據(jù)測得外表面缺陷的像素位置精準、原位地剔除其造成的內表面?zhèn)稳毕荩行Ы鉀Q內表面?zhèn)稳毕莸恼`判問題。本發(fā)明為靶丸內、外表面缺陷的高精度直接檢測和大批量自動化檢測提供第一條可行途徑。

技術領域

本發(fā)明屬于光學成像與檢測技術領域，用于慣性約束核聚變(ICF)中最為核心的關鍵器件——靶丸的內、外表面缺陷精密檢測等。

背景技術

慣性約束核聚變(ICF)不僅是人類未來獲取清潔能源的理想技術手段，而且為極端高溫、高壓條件下凝聚態(tài)物理及天體物理等前沿科學研究的開展提供強有力支撐。目前中、美、法、俄、日等國均已大力開展ICF相關研究。ICF 將多路高能激光精確聚焦在一個內部填充DT燃料的微小空心球形靶丸上，靶丸殼層瞬間發(fā)生內爆并均勻壓縮其內部的DT燃料至高溫高壓狀態(tài)，從而實現(xiàn)聚變點火。靶丸是ICF裝置中最為核心的關鍵部件，靶丸內、外表面上的微小形貌變化是導致點火失敗的關鍵因素，而孤立缺陷又是決定內、外表面形貌質量的關鍵因素，其將嚴重降低靶丸內爆壓縮過程的對稱性和穩(wěn)定性，進而導致點火失敗。因此，如何實現(xiàn)靶丸內、外表面缺陷的精密測量是ICF研究中亟待解決的關鍵問題，具有重要科學意義和應用價值。

目前，靶丸表面缺陷檢測方法包括原子力(AFM)掃描法、顯微法和干涉法等，但是尚無一種方法可以有效實現(xiàn)靶丸內、外表面缺陷的直接、精密檢測。

AFM掃描法利用AFM探針接觸靶丸外表面，然后將靶丸繞軸線旋轉一周以獲得一條靶丸截線形貌，進而通過掃描多條截線來獲得測量外表面缺陷。AFM 掃描法的優(yōu)勢在于具有極高的軸向分辨力，但是，其屬于接觸式測量方法，無法無損測量內表面缺陷。

顯微法包括共焦顯微鏡、全息顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)等。其采用上述顯微鏡直接檢測靶丸的外表面形貌，進而獲得缺陷分布結果。顯微法的優(yōu)勢在于技術成熟，有商業(yè)化的儀器便于測量系統(tǒng)的集成，測量精度高等。但是，受球差，相干性及透過率等因素的影響，上述方法均無法透過球形的殼層來對內、外表面進行對焦和測量，無法實現(xiàn)內表面缺陷無損精密檢測。

干涉法的測量視場大，檢測效率高，不易遺漏孤立缺陷，因而在靶丸內、外表面缺陷測量方面獲得廣泛應用。基于干涉法的靶丸表面缺陷檢測最為關鍵的步驟是精確調整靶丸和相機的軸向位置，即“精準定面”，使被測面精準成像在探測面上，這樣從測得波面結果中即可直接、準確地獲得缺陷分布。若被測面離焦，直接測得的表面缺陷將發(fā)生高度降低和寬度展寬，嚴重時甚至無法分辨。

現(xiàn)有方法中靶丸和相機的軸向位置固定，只能對外表面對焦，內表面離焦。這就導致內、外表面缺陷無法同時直接測量。針對這一問題，現(xiàn)有技術采用間接計算內表面缺陷的方案，即采用逆向衍射計算獲取衍射面復振幅分布，即從模糊的結果中間接地復原出被測缺陷。然而，這種間接計算的技術方案未能從根本上解決內表面離焦的問題，其不僅算法更為復雜，而且精度和效率均不如直接成像測量來得高。

因此，現(xiàn)有干涉法難以實現(xiàn)內、外表面缺陷的直接、精密檢測，關鍵在于難以實現(xiàn)“精準定面”，即精確調整靶丸和相機的軸向位置分別使得內外表面都精準對焦成像在干涉相機上。亟需尋找一種有效途徑來精準調整定位被測靶丸和干涉相機的軸向位置，以此實現(xiàn)內、外表面的直接對焦和缺陷精密檢測。

發(fā)明內容